Введение к работе
Актуальность. Изучение земных ландшафтов эффективно с применением летательных аппаратов, оснащенных оборудованием, способным осуществлять активное и пассивное зондирование земных покровов в радиодиапазоне. Положительной особенностью радиоволнового зондирования является возможность проведения наблюдений в любое время суток, всепогодность и большая, по сравнению с оптическим диапазоном, глубина проникновения. Сочетание с оптическим зондированием также позволяет получить более полную информацию о состоянии земных покровов.
Основополагающие работы в России по дистанционному радиоволновому зондированию проведены в ИРЭ РАН, ИКИ РАН, ГГО им. А.И. Воейкова, НИРФИ. В то же время дальнейшее развитие дистанционных методов требует последовательного построения баз знаний по закономерностям и характеристикам взаимодействия электромагнитных волн с природными образованиями. Новые физические закономерности позволяют совершенствовать существующие и развивать новые методы дистанционного зондирования.
Диэлектрические характеристики почвогрунтов, в силу их значимости в проблеме дистанционного зондирования, изучались многими исследователями в течение последних тридцати лет. Однако имеется целый ряд явлений в их поведении, которые недостаточно исследованы и не учитываются при дистанционном зондировании. Практически отсутствует адекватная систематизация экспериментальных данных, которая была бы достаточной для построения физических моделей диэлектрической проницаемости почвогрунтов с учетом связанной воды, а также служила основой для построения баз данных по диэлектрическим параметрам почв. Остается слабо изученным совместное влияние связанной воды и засоленности на диэлектрические и радиоизлучательные характеристики почвогрунтов при положительных и отрицательных температурах.
Кроме того, потребности создания современных технологий и приборов для полевых контактных измерений диэлектрических свойств и влажности почвогрунтов с использованием микроволнового излучения выдвинули в число актуальных задач исследование влияния почвогрун-
тов на характеристики излучателей и приемных устройств, расположенных вблизи границы раздела почва-воздух.
Также в проблеме радиолокационного зондирования остается открытым вопрос исследования характеристик рассеянного поля при совместном учете свойств рассеивающей поверхности и расположенных под ней почвогрунтов. В этой связи возникает потребность решения граничных задач рассеяния на случайных неровностях почвогрунта с учетом произвольного изменения их диэлектрической проницаемости с глубиной, а также неидеально проводящих объектах вблизи поверхности земли.
В последние годы стали более доступными для широкого круга исследователей в области радиолокации земных покровов данные радаров с синтезированной апертурой. В этой связи стали актуальными задачи определения возможностей мультиспектральной и мультиполяриза-ционной радиолокации для целей идентификации и классификации радиоизображений земного покрова.
Основной целью данной работы является развитие методов экспериментального и теоретического исследования взаимодействия электромагнитных волн с элементами почвенных покровов с учетом их физических и геометрических свойств, получение новых знаний по диэлектрическим, радиоизлучательным и рассеивающим свойствам почвенных покровов, разработка на этой основе практических методов дистанционного зондирования, испытание применимости и точности предлагаемых подходов в полигонных условиях.
Задачи диссертации.
1. Изучить закономерности влияния связанной воды и засоленности
на влажностные и температурные зависимости диэлектрических свойств
влажных почвогрунтов в дециметровом и сантиметровом диапазонах.
Выделить характерные параметры модельного описания диэлектриче
ской проницаемости и развить метод их лабораторного измерения. С
учетом этого обосновать параметризованную модель, адекватно описы
вающую реальное поведение влажностной зависимости диэлектрической
проницаемости.
2. Показать справедливость и пределы применимости полученных
закономерностей для естественных почв. Обосновать принцип создания
баз данных по диэлектрическим параметрам почв для целей интерпре
тации сигналов при дистанционном зондировании гидрологических ха
рактеристик. Разработать алгоритмы эффективной обработки данных
СВЧ-радиометрии по определению влажности почв и уровня грунтовых
вод с применением базовых параметров.
-
Предложить методы радиофизического определения почвенных гидрологических констант, таких как содержание связанной воды и влажность устойчивого завядания растений.
-
Исследовать зависимости коэффициентов излучения почв от гранулометрического состава и содержания растворимых солей при отрицательных температурах. На этой основе предложить методы определения гранулометрического состава и засоленности мерзлых почв.
-
Развить метод и получить решение граничной задачи об излучении из открытого конца полубесконечных волноводов различного поперечного сечения с импедансным фланцем в произвольно плоскослоистую среду. На основе этого решения и модельного описания диэлектрической проницаемости почвогрунтов исследовать характеристики контактных волноводных измерителей влажности почв.
-
Получить решение задачи рассеяния плоской волны на шероховатой границе произвольно плоскослоистого полупространства. На основе решения проанализировать зависимость поляризационного отношения для рассеянных почвенным покровом сигналов от уровня грунтовых вод.
-
Развить метод и получить строгое решение задачи дифракции на импедансной ленте, расположенной вблизи границы раздела почва-воздух. Исследовать влияние параметров ленты на рассеянное поле. Провести количественные оценки эффективной поверхности рассеяния ленты при значениях ширины порядка длины волны.
-
Исследовать области применимости и оценить точность предложенных в работе подходов дистанционного зондирования почв в условиях комплексного натурного эксперимента на примерах определения влажности почв и уровня грунтовых вод.
9. Исследовать возможности применения изображений с поляризаци
онной селекцией, полученных с помощью радиолокаторов с синтезиро
ванной апертурой, для классификации растительности.
Научная новизна.
Установлены новые закономерности поведения показателя преломления и поглощения для почвогрунтов различного гранулометрического состава и засоленности в области положительных и отрицательных температур.
На основе результатов этих исследований обоснована модифицированная рефракционная модель диэлектрической проницаемости почвогрунтов с учетом связанной воды при положительных и отрицательных
температурах, введены характеризующие эту модель параметры,, предложена методика их измерений.
Обоснованная модифицированная модель использована при создании баз данных по диэлектрическим свойствам почв, развитии новых методик и алгоритмов определения влажности, уровня грунтовых вод для неоднородных почвенных покровов с пространственно меняющимися агрофизическими характеристиками.
Впервые экспериментально установлено количественное соотношение между физическим параметром — содержание связанной воды в почво-грунте и биологическим параметром — влажность устойчивого завяда-ния растений и предложен новый радиофизический метод определения влажности устойчивого завядания.
Выявлены закономерности влияния содержания связанной воды и растворимых солей на поведение коэффициентов преломления и поглощения влажных грунтов при переходе от положительных температур отрицательным.
Получены новые экспериментальные зависимости радиояркостной температуры и коэффициента излучения почвогрунтов от термодинамиче-' ской температуры и засоленности.
На этой основе предложены оригинальные методы дистанционного радиометрического определения засоленности почв и их гранулометрического состава при отрицательных температурах.
Получено решение задачи о рассеянии плоской волны на шероховатой границе почвогрунта, комплексная диэлектрическая проницаемость которого меняется с глубиной по произвольному закону. Изучено поведение отношения сечений рассеяния сигналов на двух ортогональных поляризациях в зависимости от уровня грунтовых вод в дециметровом диапазоне.
Развиты методы решения граничных задач дифракции электромагнитных волн на структурах типа ленты и волноводные апертуры с фланцем в случае импедансных граничных условий. С помощью данных методов решена задача об излучении из открытого конца волновода с им-педансным фланцем в почвогрунт с произвольным законом изменения диэлектрической проницаемости по нормали к границе. Предложены оригинальные способы определения влажности почвогрунтов путем измерения коэффициентов отражения или взаимной связи для контактных волноводных зондов. Проведена экспериментальная проверка метода. Исследовано поведение эффективной поверхности рассеяния погружен-
ной в почву импедансной ленты в зависимости от таких параметров, как импеданс, ширина ленты, глубина ее погружения и влажность почвы. Положения, выносимые на защиту.
1. Влажностные зависимости показателей преломления и поглоще
ния в дециметровом и сантиметровом диапазонах для почвогрунтов без
засоления при положительных и отрицательных температурах имеют
кусочно-линейный характер. Наклон отдельных участков этих зависи
мостей определяется диэлектрическими свойствами воды в свободном
и связанном состоянии, а положение точки их пересечения определя
ет количество связанной воды в почвогрунте данного типа. Количе
ство связанной воды линейно зависит от процентного содержания глины
в почвогрунтах. Зависимости показателей преломления и поглощения
почвогрунтов от объемной влажности в присутствии растворимой соли
отклоняются от прямых линий.
-
На основе предложенного способа измерения количества и диэлектрической проницаемости связанной воды могут быть построены базы данных по диэлектрическим характеристикам почв, включающие следующие параметры: со — диэлектрическая проницаемость сухого грунта, Wt — предельное содержание связанной воды и появления свободной воды, et — диэлектрическая проницаемость почвогрунта при влажности, равной Wt-
-
Объемное содержание глинистых минералов в почвогрунте можно определить из измерений радиояркостной и термодинамической температур, используя зависимости коэффициента излучения влажного почвогрунта при отрицательных температурах от содержания связанной воды.
-
В области отрицательных температур засоленность почвогрунтов может быть определена из измерений его радиояркостной и термодинамической температуры, используя зависимости коэффициента радиоизлучения почвенного солевого раствора от температуры.
-
Разработан оригинальный способ контактного определения влажности почвогрунтов, основанный на установленной зависимости коэффициентов отражения и взаимной связи волноводных апертур с импе-дансным фланцем, расположенных на плоскости раздела почва-воздух.
-
Уровень близко расположенных к поверхности грунтовых вод может быть определен из радиолокационных измерений поляризационного отношения сечений рассеяния шероховатой поверхности почвогрунтов при условии, что размер шероховатости меньше длины волны зондиру-
ющего излучения.
7. Полученные данные в задаче рассеяния на импедансной ленте
вблизи границы раздела почва-воздух открывают возможность созда
ния метода определения ЭПР неидеально проводящих рассеивателей с
размерами порядка длины волны. .
-
Создана новая информационная технология определения влажности почв и уровня грунтовых вод, основанная на совместном использовании орбитальных изображений земной поверхности в оптическом диапазоне, данных самолетных радиометрических трассовых измерений в микроволновом диапазоне и базы данных по диэлектрическим параметрам почвогрунтов.
-
Показана возможность надежной идентификации и пространственного выделения участков леса с хвойными и лиственными породами на основе тематической обработки мультиизображений, полученных с помощью радиолокатора с синтезированной апертурой SIR-C в пространстве текстурных признаков контраст - среднее значение с предварительной фильтрацией изображений.
Научное и практическое значение. Полученные в диссертационной работе результаты формируют новые представления о закономерностях влияния структуры воды и почвенного раствора на диэлектрические свойства почвогрунтов в микроволновом диапазоне. Развитые теоретические методы решения граничных задач дифракции в материальных средах с поглощением типа неоднородных почвогрунтов позволяют получить результаты для наземных баз знаний, а также служить основой для дальнейшего развития задач данного класса.
Практическую ценность представляет разработанный подход создания базы данных по диэлектрическим свойствам почв и доказательство его эффективности на примере дистанционного зондирования неоднородных по агрофизическим и агрохимическим свойствам равнинных почвенных участков Алтайского края, методы дистанционного зондирования почвенного покрова в зимний период, радиофизический метод определения влажности устойчивого завядания растений. Отработана практика проведения совместных многоуровневых работ: радиофизические лабораторные измерения, наземные полигонные измерения, радиометрические измерения малой авиацией, орбитальный уровень (сканерные и радарные изображения). Результаты комплексных исследований на тестовых территориях позволили дать оценку гидрологических характеристик и экологической ситуации, связанной с антропогенной деятель-
ностью. В частности, построены двумерные картосхемы распределения влажности на пахотных землях, уровня грунтовых вод (УГВ), динамики процессов подтопления земель в окрестностях искусственных оросительных каналов и отстойников горнообогатительного производства.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при составлении учебных программ, написании учебников и учебных пособий, подготовке новых лекционных курсов по соответствующим разделам современных методов радиоволнового зондирования природных сред.
Достоверность выдвигаемых научных положений и основных результатов работы определяется:
тщательным анализом реальных инструментальных погрешностей и выполнением серии тестовых лабораторных измерений;
большим объемом ансамбля экспериментальных данных, согласием п частных случаях результатов эксперимента с данными, полученными другими авторами;
согласием между теоретическими и экспериментальными результатами, соответствием частных случаев теоретических результатов известным ранее из литературных данных;
- согласием между данными наземных и дистанционных измерений.
Научная апробация результатов. Результаты исследований по
теме диссертации докладывались и обсуждались на 25 симпозиумах, конференциях, совещаниях и семинарах международного, всесоюзного, всероссийского значения, а именно:
VII Всесоюзный симпозиум по дифракции и распространению волн (Ростов-на-Дону, 1977), Всесоюзная конференция молодых ученых "Электродинамические процессы в земле и космосе" (Звенигород, 1989), Всесоюзная конференция "Дистанционное зондирование агропочвенных и водных ресурсов" (Барнаул, 1990), Всесоюзная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Ереван, 1990), XVI Всесоюзная конференция по распространению радиоволн (Харьков, 1990), V Всесоюзная научно-практическая конференция "Дистанционный мониторинг экосистем" (Барнаул, 1990), II научная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды" (Муром, 1990), Всесоюзная школа "Дистанционные радиофизические методы исследования природной среды" (Барнаул, 1991), Intrernational Symposium on Radio Propagation (Beijing, China, 1993), XVII Всероссийская конференция по распро-
странению радиоволн (Ульяновск, 1993), IGARSS'93 (Токіо, Japan, 1993), Международный научный семинар по аэрокосмическому мониторингу земных покровов и атмосферы (Киев, 1993), Международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), Выездное заседание Объединенного Ученого Совета по физико-техническим наукам СО РАН "Научный потенциал вузов и НИИ Алтайского края" (Новосибирск-Барнаул-Бийск, 1995), US Russian Workshop on Earth Sciences from Mir-Priroda, Meteor, and other Satellites (Goddard Flight Center, NASA, Greenbelt, MD USA, 1995), Республиканская научно-техническая конференция "Региональные проблемы информатизации" (Барнаул, 1995), IGARSS'95 (Florence, Italy, 1995), 26th International Symposium on Remote Sensing of Environment and the 18th Canadian Symposium on Remote Sensing (Vancouver, Canada 1996), "Technological Civilization Impact on the Environment. Situation in the Post-Soviet Area." International Symposium (Karlsruhe, Deutsch-land, 1996), International Symposium on Antennas and Propagation (Chi-ba, Japan, 1996), Научная конференция "Проблемы современной физики" (Саратов, 1996), XVIII Всероссийская конференция по распространению радиоволн (Санкт-Петербург, 1996), Международная научно-практическая конференция "Историческая и современная картография в развитии Алтайского региона" (Барнаул, 1997), IV Симпозиум "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1997), IGARSS'98 (Seattle, USA, 1998), а также на региональных научных конференциях.
Связь с плановыми работами. Тема работы относится к научному направлению "Технологии мониторинга природно-техногенной среды", входящему в утвержденный перечень 17 приоритетных направлений Министерства науки и технологий Российской федерации. В диссертации обобщены исследования, выполненные в Алтайском государственном университете и Научно-исследовательском институте экологического мониторинга при АГУ в рамках плановых научно-исследовательских работ по государственным программам "Университеты России", "Экология России", по госбюджетным темам "Дистанционное зондирование природных ресурсов в условиях антропогенного воздействия", "Разработка научных основ системы регионального экологического мониторинга" , Международному целевому комплексному проекту "Мир-Природа", Международному контракту "Наука-NASA", Комплексной программе оценки последствий ядерных испытаний на Семипалатинском полигоне на население Алтайского края . Ряд разработанных методов использу-
ется в учебном процессе по специальности "Радиофизика и электроника" на физическом факультете Алтайского университета.
Значительная часть работ выполнялась по совместным проектам и договорам с Институтом радиотехники и электроники РАН. Становление тематики и полученные результаты в большой степени стали возможны благодаря поддержке и заинтересованности Н.А.Арманда, А.М.Шутко.
Личное участие автора при выполнении работы заключалось в постановке задач, творческом непосредственном участии во всех экспериментальных и теоретических исследованиях, результаты которых изложены в настоящей диссертационной работе, в организации исследований, научном руководстве по ряду разделов. Большая часть работ теоретического характера выполнена автором единолично.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 85 работ. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 2 приложений и списка литературы. Она содержит 86 рисунков, 18 таблиц, список литературы включает 275 наименований. Общий объем диссертации составляет 324 страницы.